外力對環(huán)肽納米管水傳輸特性的影響及其微觀機(jī)制.pdf

1、環(huán)肽納米管作為一種新穎的納米材料，被廣泛用于模擬生物水通道。生物體系中水通道的傳輸特性受多種因素影響。本文重點(diǎn)考察了外力因素對跨膜環(huán)肽納米管水傳輸特性的影響。
　　在跨膜環(huán)八肽納米管8×cyclo-(WL)4/POPE第四個(gè)環(huán)的管壁外側(cè)(P4環(huán)C5原子)垂直于管軸的方向上，對納米管施加指向管外的外部作用力（F=0.0~2.0nN），采用恒速及恒力受控分子動(dòng)力學(xué)（SMD）模擬，考察了不同外部作用力引起的納米管結(jié)構(gòu)形變及其對管內(nèi)水鏈結(jié)

2、構(gòu)、水分子分布及偶極取向等的影響。研究結(jié)果表明隨著外力的增大，受力的P4環(huán)形變量dC3-C7逐漸增大。由于環(huán)間氫鍵網(wǎng)絡(luò)的作用，與P4相鄰的P3和P5環(huán)也會(huì)發(fā)生一定程度的形變。當(dāng)施加外力增大到2.0nN時(shí)，P4環(huán)被拉成13.3×5.6的橢圓形，此時(shí)，納米管水通道完全關(guān)閉。環(huán)肽納米管結(jié)構(gòu)的形變直接導(dǎo)致了管內(nèi)水鏈結(jié)構(gòu)的改變，引起P4環(huán)及與之相鄰的P3和P5環(huán)所在區(qū)域水分子排布發(fā)生變化。當(dāng)外力F小于等于0.8nN時(shí)，P4環(huán)兩側(cè)的水分子排布沒有明

3、顯改變；當(dāng)外力增加到1.6nN時(shí)，施加外力的P4環(huán)位置處不再有水分子的排布，但此時(shí)的環(huán)肽納米管尚沒有完全關(guān)閉。不同外力下的占據(jù)自由能[G(N)]計(jì)算表明當(dāng)施加外力小于0.8nN時(shí)，管內(nèi)水分子總數(shù)沒有明顯變化，維持在總數(shù)22個(gè)，進(jìn)一步增大外力，管內(nèi)水分子數(shù)逐步減少，當(dāng)外力增大到1.6nN后，水分子總數(shù)變成18個(gè)，并且不再隨著外力的增加而改變。隨著施加外力的增大，管內(nèi)水分子之間形成的氫鍵鏈被切斷，研究發(fā)現(xiàn)P4環(huán)兩側(cè)的氫鍵數(shù)目分別在外力達(dá)0.

4、8nN和0.9nN時(shí)開始減少，最后當(dāng)外力增大到2.0nN時(shí)，P4與P3和P5環(huán)間分別剩余2和4個(gè)氫鍵。此時(shí)，由于水鏈在P4環(huán)處斷裂，P4與P3環(huán)間的水分子中的兩個(gè)氫原子會(huì)與骨架上的羰基氧同時(shí)形成氫鍵，從而使該處水分子偶極趨于定向性。管內(nèi)水分子的流量在施加外力增加到0.8nN之前沒有明顯變化，維持在6個(gè)水分子，此時(shí)環(huán)肽納米管處于開放狀態(tài)，當(dāng)外力增大到2.0nN時(shí)管內(nèi)水流量變?yōu)?，此時(shí)環(huán)肽納米管呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)。研究結(jié)果對環(huán)肽納米管對外力的響應(yīng)